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Accueil du site > 02 - Livre Deux : SCIENCES > Atome : lois de la Physique ou rétroaction de la matière/lumière et du vide (...) > Qu’est-ce que le principe de Pauli ?

Qu’est-ce que le principe de Pauli ?

vendredi 10 avril 2015, par Robert Paris

L’atome « La théorie quantique eut parmi ses premiers objectifs de comprendre la stabilité des édifices atomiques. En effet, un « électron classique » (non-quantique) pourrait orbiter à une distance arbitraire d’un « noyau classique ». Rayonnant de l’énergie électromagnétique, il pourrait se rapprocher indéfiniment du noyau, perdant dans cette chute une quantité d’énergie … infinie ! La théorie quantique, en corrélant l’extension spatiale d’un électron à son énergie cinétique (inégalités d’Heisenberg), interdit une telle catastrophe et assure l’existence d’atomes stables, dont l’énergie ne peut descendre en dessous d’un certain plancher absolu (niveau fondamental). Mais Pauli fit remarquer, dès les années 1925, que cette stabilité individuelle des atomes, si elle est nécessaire, ne suffit en rien à assurer la stabilité de la matière. (…) Si le principe de Pauli n’intervenait pas pour tenir les électrons à distance mutuelle, la matière serait incomparablement plus concentrée, d’autant plus que la quantité en serait plus grande. (…) Ajoutons enfin que le rôle du principe de Pauli ne se borne pas à assurer l’existence de la matière, mais conditionne toutes ses propriétés électroniques détaillées, en particulier la conductivité ou la semi-conductivité des matériaux qu’utilise la technologie électronique. »

Jean-Marc Lévy-Leblond dans « La quantique à grande échelle », article de l’ouvrage collectif « Le monde quantique »

Qu’est-ce que le principe de Pauli ?

Le principe d’exclusion de Pauli affirme que deux fermions (par exemple électron ou proton) de même nature (par exemple deux électrons) ne peuvent jamais se trouver exactement dans le même état physique (par exemple avec le même état de spin). Le spin signifie que chaque électron peut être considéré comme un minuscule aimant qui est affecté d’un moment magnétique de rotation.

Tout est parti d’un constat : la matière ne peut pas se concentrer à l’infini contrairement à la lumière. Deux électrons ne peuvent pas s’attirer au point de se toucher. D’où vient cette répulsion qui fait que notre doigt est repoussé par les atomes de la table ? Du principe de Pauli ! On pourrait même appeler ce principe une force de répulsion. Elle est plus forte que l’attraction universelle des masses ou que l’attraction électromagnétique entre charges opposées.

D’où vient que l’attraction ne soit pas suffisante, même au sein d’étoiles très massives pour forcer des atomes à se contracter et à rapprocher leurs fermions ? Du principe de Pauli.

Le principe d’exclusion de Pauli qui stipule qu’un fermion ne peut pas prendre la même place qu’un autre fermion est donc absolument essentiel, principe fondateur de l’espace matériel, d’une position occupée ou non, niveau d’énergie piégé par une liaison électrique et qui fait masse.

Mais quelle est la racine même du principe de Pauli ? Il ne découle pas simplement du fait que les particules soient quantifiées mais du fait que le vide soit quantifié comme nous allons le voir ensuite…

En 1925, Wolfgang Pauli proposa ce principe selon lequel les électrons ne peuvent pas se trouver au même endroit dans le même état quantique. Par la suite, ce principe est généralisé à tout fermion (ou particule de spin demi-entier), tel que le proton, le neutron, le neutrino et les quarks. Ce principe devint ensuite un théorème de la mécanique quantique relativiste, élaborée par Dirac en 1930 : les particules de spin demi-entiers sont des fermions et ils obéissent à la statistique de Fermi-Dirac, donc au principe d’exclusion de Pauli.

Le principe d’exclusion se applique uniquement aux fermions, qui forment états quantiques antisymétriques et ont spin demi-entier, et qui comprennent protons, neutrons et électrons, les trois particules qui composent la matière ordinaire. Il ne est pas valable pour les bosons, qui forment états quantiques symétriques et avoir spin entier. Le principe est la base pour la compréhension de la plupart des caractéristiques distinctives de la matière.

Chacun sait que la physique a découvert que la matière, comme la lumière, est constituée de « grains » appelés particules. La matière serait appelée fermions, c’est-à-dire particules obéissant à la règle de Fermi qui empêche les particules de même état de s’agglomérer du fait du « principe de Pauli ». Les fermions sont de deux types : leptons (comme l’électron) ou quarks (constituant des neutrons et des protons). La lumière – expression employée ici pour regrouper toutes les particules dites d’interaction - serait formée de bosons, c’est-à-dire de particules qui obéissent à la règle de Bose qui concerne des particules qui ont tendance à s’agglomérer dans un état commun.

La négation de la gravitation poussant l’atome à se concentrer sur lui-même est le principe de Pauli (qui est un principe quantique de répulsion selon lequel deux particules de matière ne peuvent se trouver au même endroit dans le même état contrairement à deux corpuscules de lumière). Ce principe de Pauli est donc l’une des propriétés par lesquelles la matière s’oppose à la lumière. La lumière se concentre sans limite et pas la matière. C’est le principe de Pauli qui cause l’impénétrabilité de la matière et qui nous donne cette impression illusoire de compacité et de continuité de la matière.

Pourquoi le principe de Pauli empêche la matière de se concentrer ? Un électron résidant sur une couche supérieure est instable et pourrait tomber à un niveau inférieur en émettant un photon. Ceci est rendu impossible par le principe d’exclusion de Pauli qui implique que deux particules comme les électrons puissent occuper le même état quantique.

La démonstration de ce principe repose sur ce que l’on nomme parfois la seconde quantification ; non seulement les états des particules sont quantifiés mais les particules qui caractérisent les champs d’interaction répondent-elles aussi à une quantification.

Le principe de Pauli est lié aux propriétés du vide quantique. La preuve ? Ce principe d’exclusion est lié au spin du fermion, propriété qui est dans le nuage qui entoure la particule de Fermi, nuage constitué de particules et d’antiparticules virtuelles du vide quantique.

La notion de spin a été introduite par Pauli en décembre 1924 pour l’électron afin d’expliquer un résultat expérimental qui restait incompréhensible dans le cadre naissant de la mécanique quantique non relativiste : l’effet Zeeman anormal. L’approche développée par Pauli consistait à introduire de façon ad-hoc le spin en ajoutant un postulat supplémentaire aux autres postulats de la mécanique quantique non relativiste (équation de Schrödinger, etc.). L’existence du spin fut également suggérée en 1925 par les physiciens américains d’origine néerlandaise Samuel Abraham Goudsmit et George Eugene Uhlenbeck. Les deux physiciens remarquèrent que certaines particularités des spectres atomiques ne pouvaient être expliquées au moyen de la théorie quantique de l’époque. En considérant un nombre quantique supplémentaire — le spin de l’électron — Goudsmit et Uhlenbeck pouvaient fournir une explication plus complète des spectres atomiques. Bientôt, la notion de spin s’étendit à tous les quantons, en particulier aux électrons, aux protons, aux neutrons et aux antiparticules.

Que se passe-t-il quand une particule de matière s’approche à une vitesse suffisante d’une autre et qu’elles échangent un photon ? Les deux nuages de polarisation sont contraints de se mêler. Les couches de même signe se rapprochent avec suffisamment d’énergie pour contraindre un dipôle à se rapprocher. Le principe d’exclusion de Pauli provient d’une relation entre la particule et le vide autour. C’est le nuage de polarisation. Deux particules ne peuvent occuper la même position parce que, même si elles ont des charges électriques qui s’attirent, elles ont aussi des nuages polarisation d’électricité qui la repoussent dès que l’on s’approche de trop près. Cela signifie que le champ électromagnétique s’inverse à proximité. Cependant, si deux particules ont des spins opposés, la rotation du nuage de polarisation se fait en sens inverse et les deux particules peuvent s’approcher un peu plus.

L’image de la matière qui résulte de ces études est ainsi résumée par l’astrophysicien Cassé dans « Du vide et de la création » :

« « Au centre de la nuée du virtuel est encore un virtuel, d’ordre plus élevé. Et ces électrons et positons doublement virtuels s’entourent eux-mêmes de leur propre nuage de corpuscules virtuels, et cela ad infinitum. (…) L’image quantique qui en résulte est un électron (…) protégé par des rangs successifs de photons virtuels (…) L’électron n’est plus l’être simple qu’il était. (…) Il s’habille de vide fluctuant. De même, chaque proton est dépeint comme un microcosme concentrique où s’étagent les différents niveaux de virtualité. Au centre est la particule réelle, sa garde rapprochée est constituée par des particules et antiparticules les plus massives (énergétiques) et donc les plus éphémères, bosons W et Z, paires proton-antiproton et photons gamma. Le second cercle contient les couples positon-électron et les photons de 1 MeV environ. A la périphérie flottent les photons d’énergie déclinante. Chaque particule virtuelle, comme précédemment, s’entoure de son cosmos virtuel et chacune à son tour fait de même et cela indéfiniment. Le vide est constitué d’un nuage virtuel flottant de manière aléatoire. L’activité frénétique autour du moindre électron, du moindre proton, nous éloigne à jamais de l’image paisible que la plupart des philosophes attribuent au mot « vide ». (…) Aucune particule, même « au repos », ne jouit de la pleine tranquillité. (…) ce que nous appelons communément « force » est, selon la pensée quantique, un phénomène collectif causé par l’échange d’innombrables particules virtuelles. (…) Concrètement, la création simultanée d’un électron et d’un positon peut être réalisée au moyen de rayons gamma d’énergie supérieure à 1,022 MeV (deux masses d’un l’électron). (…) Le « réel » est produit à proximité de « réel », à partir du virtuel. Le vide est donc l’état « zéro particule réelle ».

Le principe d’exclusion de Pauli joue un rôle essentiel dans un grand nombre de phénomènes physiques. L’un des plus importants, et celui pour lequel il a été initialement formulée, concerne la structure du nuage d’électrons d’atomes. Un atome électriquement neutre contient un nombre d’électrons égal à celui des protons du noyau. Comme les électrons sont des fermions, le principe d’exclusion leur interdit d’occuper le même état quantique.

Par exemple, considérons un atome d’hélium neutre, ce qui a deux électrons associés. Les deux électrons peuvent occuper plus le niveau d’énergie orbitale acquisition spins opposés. Cela ne viole pas le principe de l’exclusion, depuis le spin est une partie de l’état quantique de l’électron, de sorte que les deux électrons occupent différents états quantiques. Toutefois, le spin peut prendre que deux valeurs différentes. Dans un atome de lithium, qui contient trois électrons, la troisième électrons ne peut pas rester dans les orbitale 1s, et est forcé d’occuper une partie de l’énergie plus élevés orbitale. De même, les éléments suivants occupent plus de sous-niveaux avec des niveaux croissants de l’énergie. Les propriétés chimiques d’un élément dépendent en grande partie sur le nombre d’électrons présents dans le niveau électronique la plus externe.

Le principe de Pauli explique la stabilité de la matière sur une grande échelle. Les molécules ne peuvent pas être arbitrairement poussés l’un contre l’autre, puisque les électrons de chaque molécule ne peuvent pas entrer dans le même état des électrons d’une autre molécule - ce est la raison pour la durée de répulsion présent dans le potentiel de Lennard-Jones.

Astrophysique fournit la démonstration la plus spectaculaire de cet effet, sous la forme de naines blanches et des étoiles à neutrons. Dans ces deux types d’objets astronomiques, les structures atomiques habituels sont perturbés par une énorme force de gravitation, ce qui laisse les constituants de la matière pris en charge uniquement par « pression de dégénérescence" produit par le principe d’exclusion. Cette forme exotique de la matière est connue comme matière dégénérée. Dans les naines blanches, les atomes sont séparés de la pression de dégénérescence des électrons. Dans les étoiles à neutrons, qui montrent forces gravitationnelles encore plus intense, les électrons sont fusionnés avec les protons pour former des neutrons, qui produisent une pression de dégénérescence encore plus grande.

La conférence Nobel sur le principe d’exclusion de Pauli

9 Messages de forum

  • Heisenberg relate les pensées de Pauli au sujet du lien entre le perçu et les concepts :

    « Tous les penseurs cohérents en sont venus à la conclusion que la logique pure est fondamentalement incapable de construire un tel lien. La solution la plus satisfaisante, semble-t-il, est d’introduire à ce stade le postulat d’un ordre du cosmos qui soit distinct du monde des apparences et indépendant de notre volonté. Qu’il s’agisse d’objets physiques qui participent aux Idées ou du comportement de choses métaphysiques, c’est-à-dire en soi réelles, la relation entre la perception sensorielle et l’Idée reste une conséquence du fait que l’âme et ce qui est connu au travers de la perception sont régis par un ordre, objectivement conçu. »

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  • Qu’est-ce que le principe de Pauli ? 2 avril 2017 06:45, par alain

    Pouvez-vous résumer simplement le principe de Pauli.

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    • Qu’est-ce que le principe de Pauli ? 16 décembre 2017 18:20, par Amyamry

      Bonjour le principe de Pauli c’est lorsque chaque couche ne peut contenir qu’un nombre maximum d’ē sans jamais pouvoir le dépasser.

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      • Qu’est-ce que le principe de Pauli ? 16 décembre 2017 21:15, par Robert Paris

        Le principe de Pauli a notamment cette conséquence dans la structure électronique des atomes mais ce principe est bien plus large que cela et signifie tout autre chose. Ce principe interdit la matière de s’agglomérer, c’est une répulsion qui provient du fait que les électrons (et autres particules) à l’état dit "réel" sont entourées de leur nuage virtuel de particules et antiparticules qui empêchent tout agglomération de particules de matière contrairement aux particules de lumière qui ont tendance au contraire à s’agglomérer.

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    • Qu’est-ce que le principe de Pauli ? 23 décembre 2018 14:57, par Khouloud belhadj

      le principe de Pauli tt simplement c’est le principe qui interdit l’existence de fermions avec tous les nombres quantiques identiques, il a été généralisé pour expliquer l’existence de particules de spin 3/2 tel que Delta+ (composé de 3 quarks tous alignés 1/2)
      On attribue a chaque quark un nombre quantique supplémentaire appelé COULEUR, et y en a 3 couleur rouge bleu et vert et leurs combinaison nous donne le BLANC ===== la neutralité vis a vis de la force nucléaire forte .

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  • Qu’est-ce que le principe de Pauli ? 2 avril 2017 06:47, par Robert Paris

    Le principe de Pauli, en interdisant aux fermions de s’agglutiner, est une force de répulsion dynamique des particules à courte distance, répulsion d’autant plus grande que la distance est courte, qui constitue une énergie cinétique et est déterminante pour empêcher la matière de se concentrer excessivement.

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  • Qu’est-ce que le principe de Pauli ? 7 février 18:16, par JFP/Jean-François POULIQUEN.

    Bonjour.

    ___VOUS N’ÊTES PAS OBLIGÉ DE RÉPONDRE MONSIEUR PARIS, car déjà expliqué dans un autre article.

    ___Suite à un de mes commentaires dans l’article suivant ::
    « Comment un observateur se déplaçant à la vitesse de la lumière (aux côtés du photon lumineux) voit-il le monde ? » ou le paradoxe de la relativité restreinte. ___Qui est une remarque sur un nouveau concept de température lié aux collisions de grains d’électron donnant un rayonnement thermodynamique. L’électron est pour une structure-champ de grains, et où ces grains sont utilisés pour toutes les constitution de particules dites élémentaire. Ainsi l’électron ou le positron par exemple, sont des nuages flous, mais ces nuages sont pour moi des structures-champs floues et déformables composées de grains qui est la base de toutes les particules élémentaires. Le principe est très simple, car un électron par exemple est un paquet de grains élémentaires d’une certaine quantité, et où le centre de cette structure-champ est plus concentrée en grains, et plus on s’éloigne de ce centre fictif et plus la densité en grains est moindre. Cette façon de voir les électrons et les positrons, permet des échanges avec le vide quantique où le échanges se font essentiellement,t pas grains, c’est dire que des grains deviennent libres et donc virtuels et des grains du vide quantiques sont utilisés comme complément à l’électron déséquilibré momentanément. Donc cette conception l’élection n’est pas nuage, mais une structure-champ floue qui se déforme très facilement. Quand deux atomes sont proche et sans contact, les électrons extérieurs de chaque atome se mélange un peu et où il y a des collisions de grain. Et ces collisions sont de chocs émettant une énergie thermodynamique et donnant par la même un rayonnement et donc une chaleur. Ainsi la température des solides et des liquides s’explique sans utiliser la notion de gaz qui est elle aussi un autre concept complémentaire et indépendant.

    ___POUR CONFIRMER CE QUE J’AI COMPRIS DE L’EXCLUSION DE PAULI ::

    ___On parle bien D’UN atome et non de plusieurs atomes, donc cette exclusion (règle) est faite pour UN ATOME UNIQUE, mais rien n’empêche que deux nuages d’électrons d’atomes différents se mêlent entre eux sans pour autant se confondent complètement, et comme ces nuages sont pour moi constitués de grains, et qu’il soit fort probable que des grains collisionnent donnant cette notion de température ou de chaleur, au choix !!! ::
    http://villemin.gerard.free.fr/aSci... ::
    Deux électrons quelconques ne peuvent jamais occuper le même état quantique (posséder les mêmes nombres quantiques). Pauli est amené à ce constat à partir de l’étude du remplissage des couches électroniques "DE L’ATOME".
    Chaque orbite caractérisée par les trois nombres quantiques (n, l, m) ne peut recevoir que deux électrons dont les spins sont opposés (antiparallèles) – l’un valant ½ et l’autre -½ .
    Par exemple, si la couche "D’UN ATOME" est remplie, il est impossible de lui ajouter un électron de plus.

    ___Pas mal ce relevé ou l’on parle de deux nuages contrains de se mêler !! Cela va dans le sens que mes Grains constituant les nuages qui sont entremêles sans être pour autant complètement mêlés ::
    https://www.matierevolution.fr/spip...
    Que se passe-t-il quand une particule de matière s’approche à une vitesse suffisante d’une autre et qu’elles échangent un photon ? "LES DEUX NUAGES DE POLARISATION SONT CONTRAINTS DE SE MÊLER". Les couches de même signe se rapprochent avec suffisamment d’énergie pour contraindre un dipôle à se rapprocher. Le principe d’exclusion de Pauli provient d’une relation entre la particule et le vide autour. C’est le nuage de polarisation. Deux particules ne peuvent occuper la même position parce que, même si elles ont des charges électriques qui s’attirent, elles ont aussi des nuages polarisation d’électricité qui la repoussent "DÈS QUE L’ON S’APPROCHE DE TROP PRÈS". Cela signifie que le champ électromagnétique s’inverse à proximité. Cependant, si deux particules ont des spins opposés, la rotation du nuage de polarisation se fait en sens inverse et les deux particules peuvent s’approcher un peu plus.

    ___Dans le même article UN ATOME et ses contraintes !!! ::
    "UN ATOME" électriquement neutre contient un nombre d’électrons égal à celui des protons du noyau. Comme les électrons sont des fermions, le principe d’exclusion leur interdit d’occuper le même état quantique.

    ___Dans le même article 1_PROTON+1_ELECTRON=1_NEUTRON (déjà cité à ma façon mais tout est déjà dit) !!!
    Dans les étoiles à neutrons, qui montrent forces gravitationnelles encore plus intense, les électrons sont fusionnés avec les protons pour former des neutrons, qui produisent une pression de dégénérescence encore plus grande.

    ___D’UN ATOME car j’aime cela le UN !!! ::
    http://www.lct.jussieu.fr/pagespers...
    Principe d’exclusion de Pauli : deux électrons "D’UN MÊME ATOME" ne peuvent être dans le même état quantique (ie se voir attribuer les cinq mêmes nombres quantiques). Il s’agit d’une règle rigoureuse, sans exception aucune.

    ___J’aime de plus en plus les UN et les Hum bien sûr !!! ::
    https://fr.quora.com/Quelqu%E2%80%9...
    Bon, en mécanique quantique, la définition de “endroit” est différente : se sont des états quantiques, définis par des nombres entiers. Et ces états quantiques ont une probabilité de se manifester dans une zone floue, par exemple les orbitales des électrons "DANS UN ATOME". Ainsi, on ne peut pas comprimer indéfiniment des atomes les uns contre les autres, mais tout de même plus on les comprime plus ils se tassent.

    ___Et comme toujours UN et UN seul !!! ::
    https://prmarchenry.blogspot.com/20...
    Principe d’exclusion de Pauli
    Marc Henry
    18:40
    Chimie Histoire Physique quantique Spin
    Une des contribution majeure du physicien autrichien Wolfgang Pauli (1900-1958), a été de remettre en cause la théorie relativiste de Sommerfeld pour l’interprétation du nombre de raies spectrales émises "PAR UN ATOME" et d’établir un principe d’exclusion permettant de comprendre la structure en couches du tableau périodique des éléments de Mendeleïev.

    ___Et comme toujours UN et UN seul et il faut prendre ce UN de système comme UN atome !!! Si un électron pouvait servir à deux ou plus d’atomes, et bien là oui cela ne fonctionnerait pas, mais il faut prendre comme terme de système UN atome car l’électron ne rayonne pas sur deux ou plus d’atomes. Notre terre est tributaire de notre soleil et tourne autour de ce soleil, c’est UN système, et bien l’atome est pareil, car il faut considérer chaque électron comme une planète, et que ces planètes ne tournent pas sur deux soleils en même temps ::
    https://www.techno-science.net/defi...
    L’état quantique d’une particule est défini par des " nombres quantiques ". Le principe d’exclusion interdit à tout fermionappartenant à "UN SYSTÈME" de fermions d’avoir les même nombres quantiques qu’un autre fermion du système.
    Par exemple, dans l’atome, les électrons sont caractérisés par les nombres correspondant aux lettres n, l, ml et ms : si
    un électron présente la combinaison (1, 0, 0, ½), il est nécessairement le seul.

    ___Il y a des tas de cites reprenant les exactement les mêmes explications, mais avec quelques unes cela suffit. Donc le petit amateur que je suis n’a pas commit d’erreur, mais interprété normalement ce qui est dit, car un système est un atome, deux systèmes sont deux atomes et ainsi de suite ... Désolé M.Paris.

    Amicalement.
    JFP/Jean-François POULIQUEN.

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    • Qu’est-ce que le principe de Pauli ? 7 février 18:54, par Robert Paris

      Ici personne n’est obligé à... rien (rien, ce n’est pas le vide...) sauf d’être aimable même si on est parfois en colère devant le discours de... l’autre !!

      Tout d’abord même ce qui concerne un atome concerne du coup plusieurs particules !

      Deuxièmement, ce qui concerne deux atomes concerne d’abord les relations entre les électrons périphériques, mais si l’énergie des deux atomes est suffisantes, on dépasse ce stade, on est alors dans l’interaction entre deux noyaux...

      Mais effectivement, le premier étonnement c’est que... les électrons ne s’écrasent pas sur le noyau qui est pourtant électriquement positif et attire les électron négatifs.

      C’est là qu’on s’aperçoit que les électrons ne sont pas des objets ne mouvement !!!

      Pour lire sur l’impossibilité de la matière de s’agglomérer : cliquer ici

      ça c’est énervant, vous préféreriez claquer que cliquer, je plaisante !!!

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  • Qu’est-ce que le principe de Pauli ? 13 février 10:44, par JFP/Jean-François POULIQUEN.

    Bonjour

    ___Le constat de ne pas avoir de retour, est un vrai constat, car malgré ne rien avoir, ne rien voir, ne rien entendre, ne rien sentir, est un constat comme un autre. Ce qui veut dire que le RIEN est quelque chose pour justement constater qu’il n’y a RIEN ou quelque chose. Et donc il n’y a aucune obligation d’y avoir quelque chose, et ainsi le vide cosmologique n’est vraiment rien, tandis que le vide quantique proche de la matière est lui non RIEN donc un vide plein. Mais le plein pose quand même problème, car il pourrait être moins comme plus. Donc un plein variable en densité.
    Bonne journée M’sieu Paris.
    JFP/Jean-François POULIQUEN.

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